ガスバラストとは何で、どのように機能しますか?

1935年にヴォルフガング・ゲーデが開発したガスバラスト設備は、ポンプ内の蒸気の凝縮を抑制します。ロータリーベーン、ロータリープランジャ、トロコイドポンプは、永久ガスだけでなく、より大量の凝縮性ガスの輸送が可能です。

ガスバラストの利点

ガスバラスト設備（図2.13を参照）は、ポンプのポンプチャンバー内の蒸気の凝縮を防止します。蒸気を圧送するときは、ポンプの温度で飽和蒸気圧まで圧縮することができます。たとえば、ポンプ温度70℃（158℉）で水蒸気を送出する場合、蒸気は312 mbar（70℃（158℉）での水蒸気飽和圧力）までしか圧縮できません（表XIIIを参照）。さらに圧縮すると、圧力を上げることなく水蒸気が凝縮します。ポンプ内に圧力超過が発生せず、排気バルブが開きません。代わりに、水蒸気はポンプ内に水として残り、ポンプのオイルで乳化します。これはオイルの潤滑特性を非常に急速に低下させ、ポンプが大量の水を吸収すると、ポンプが動かなくなることさえあります。

動作原理

実際の圧縮プロセスが開始する前に（図2.13を参照）、正確に規定された量の空気（「ガスバラスト」）がポンプのポンプチャンバーに注入されます。量は、ポンプの圧縮比が最大10：1に減少するようなものです。現在、ポンプによって取り込まれた蒸気は、ガスバラストと一緒に圧縮されてから、凝縮点に達してポンプから排出されます。ただし、取り込まれる蒸気の部分圧力は、特定の値を超えることはありません。10倍の圧縮の場合、蒸気がポンプの作動温度で凝縮しないように、非常に低くする必要があります。水蒸気を輸送する場合、この臨界値は「水蒸気耐性」と呼ばれます。

図2.14に概略的に示されているのは、凝縮性蒸気を輸送するときにロータリーベーンポンプで発生するガスバラストの有無による輸送プロセスです。

蒸気を送り込む際は、次の2つの要件を満たす必要があります。
1）ポンプは動作温度になっている必要があります。
2）ガスバラストバルブが開いている必要があります。
（ガスバラストバルブが開くと、ポンプの温度が約10℃（50℉）上昇します。蒸気を送出する前に、ガスバラストバルブを開いた状態でポンプを30分間作動させる必要があります）。

表XIII飽和圧力p5および水蒸気密度eD、-100℃（-148℉）～+140℃（+284℉）の温度範囲

図2.13ガスバラスト付きロータリーベーンポンプ内の作業プロセス

1–2吸引
2–5圧縮
3–4ガスバラスト入口
5–6送出

図2.14凝縮可能物質を輸送するときの、ガスバラスト装置なしおよびガスバラスト装置付きロータリーベーンポンプの輸送プロセスの図。

a）ガスバラストなし

1）ポンプはすでにほぼ空の容器（70 mbar）に接続されているため、ほとんどの蒸気粒子を輸送する必要があります
2）ポンプチャンバーが容器から分離されます-圧縮が始まります
3）ポンプチャンバーの内容物はすでに圧縮されており、蒸気が凝縮して液滴を形成します–圧力超過に達していません
4）残留空気は必要な圧力超過のみを発生させ、吐出バルブを開きますが、蒸気はすでに凝縮されており、ポンプ内で液滴が沈殿しています。

b）ガスバラスト付き
1）ポンプはすでにほぼ空の容器（70 mbar）に接続されているため、ほとんどの蒸気粒子を輸送する必要があります
2）ポンプチャンバーは容器から分離されています-ガスバラストバルブが開き、ポンプチャンバーが外部から追加の空気で満たされます-この追加空気はガスバラストと呼ばれます
3）吐出バルブが開き、蒸気とガスの粒子が押し出されます-これを発生させるために必要な圧力超過は、補助ガスバラスト空気のため、ポンププロセス全体の凝縮が発生しないため、非常に早く到達します
4）ポンプはさらに空気と蒸気を送出

ガスと蒸気の同時輸送

真空システムから永久ガスと凝縮性蒸気を同時に輸送する場合、ポンプ内の蒸気の凝縮を防ぐために、永久ガスの量で十分であることがよくあります。ポンプ内で凝縮することなくポンプで送り込まれる蒸気の量は、次のように計算できます。

（2.1）

ここで、pvapor =はポンプの吸入口における蒸気の部分圧力です。
Pperm_perm =ポンプの吸気口でポンプに送り込まれたすべての永久ガスの全圧力です。
p_vapor,sat =は、温度に応じて、ポンプで送り込まれる蒸気の飽和圧力です（図2.15を参照）。
p_sum = p_排気 + Δp_バルブ + Δp_排気フィルタ
Δp_バルブ =ポンプのタイプと動作条件に応じて0.2 ... 0.4 barになる排気バルブ前後の差圧。
Δp_排気フィルタ= 0 ... 0.5 barに達する排気フィルタ全体の差圧。

図2.15飽和蒸気圧：温度の表

例

外部のオイルミストフィルタを直列に備えたロータリーベーンポンプで、水蒸気と空気の混合物がポンプで送られます。次の値は、式（2.1）の適用に使用されます。

空気/水蒸気混合物中の水蒸気の圧力は、混合気の全圧力の23%を超えてはなりません。

水蒸気耐性

蒸気耐性のトピックに関して前述した一般的な考慮事項における重要な特別なケースは、水蒸気をポンピングすることです。PNEUROPによると、水蒸気耐性は次のように定義されています。

「水蒸気耐性は、真空ポンプが通常の周囲温度および圧力条件（20℃/68℉、1013 mbar）で、純粋な水蒸気を連続的に運び輸送できる最高の圧力です。この値はmbar単位で表示されます」。P_W,Oとして指定されています。

この特殊なケースに関係式（2.3）を適用すると、次のようになります。

（2.4）

ガスバラストガスに湿度50%の大気圧を使用する場合、p_蒸気、g.b. = 13 mbar；B/S = 0.10 –実際の通常の数値–およびp_sum（総排気圧力）= 1330 mbarで、ポンプの温度の関数としての水蒸気耐性p_W,0は、図2.16の一番下の曲線で表されます。他の曲線は水蒸気と空気の混合物の輸送に対応しており、p_perm = p_air O）であり、millibar単位のp_L記号で示されます。これらの場合、図に示すように、より高い量の水蒸気分圧p_wをポンプで送ることができます。したがって、カタログに記載されているp_W,0の数値は下限を示しており、安全側にあります。

図2.16空気のさまざまな部分圧力pLに対するポンプ温度の関数として、ポンプ内で凝縮することなく、ガスバラストバルブを開いた状態で輸送できる水蒸気の部分圧力pw。一番下の曲線は、ポンプの水蒸気耐性pw,oに対応します。

方程式2.4に従って、ガスバラストBが増加すると水蒸気耐性p_W,0が増加します。実際には、特に1段圧縮ガスバラストポンプの場合、Bの増加は、ガスバラストバルブを開いた状態で作動したガスバラストポンプの達成可能な到達真空が、ガスバラストBが増加するにつれて悪化するという事実により、増加が制限されます。同様の考慮事項は、蒸気耐性p_蒸気の一般式2.3にも当てはまります。

ポンプダウンプロセスの開始時は、ガスバラストバルブを開いた状態でガスバラストポンプを必ず作動させる必要があります。ほとんどの場合、容器の壁には水の薄い層が存在し、徐々に蒸発します。低い到達圧力を達成するために、蒸気が排出された後にのみガスバラストバルブを閉じる必要があります。ライボルトポンプは、通常、33～66 mbarの水蒸気耐性を提供します。2段ポンプは、異なるサイズのポンプチャンバーを備えている場合、段間の圧縮比に応じて、他のレベルの水蒸気耐性を提供する場合があります。